（通信与信息系统专业论文）无线传感器网络测试平台研究与设计.pdf

摘要 无线传感器网络的测试工具对于传感器网络的深入研究和应用具有重要意 义。本文提出了一种基于硬件平台的无线传感器网络测试方法，并介绍了基于 该方法的无线传感器网络测试平台系统的的设计思路和详细实现。该测试平台 系统由由硬件测试仪和服务器软件两部分组成。测试仪负责收集无线传感器网 络节点c p u 和射频芯片通信的数字信号，并通过以太网传送到服务器，服务器 软件通过分析各个节点的数字通信信号从而得到整个网络的通信过程。 本文给出了测试仪的通信协议设计，软硬件设计。测试仪采用可编程逻辑 阵列( f p g a ) 高速采集传感器节点的内部互连信息，并将采集的信息通过额外 网络传输到测试服务器进行集中处理，还原节点状态信息和获取整个无线网络 的通信情况，并且避免了对传感器网络节点运行和无线通信的影响。测试仪包 含两个部分。一是数据处理和传输部分，包括c p u 和以太网控制器，另一部分 是数据获取和控制部分。 另外说明了该系统中的服务器软件设计。服务器软件包括数据捕获软件和 一系列的数据分析软件。数据捕获软件将测试仪上传的数据记录存储，为其他 分析软件提供数据基础。该测试平台捕获的数据是基于物理硬件的，所以，在 此基础上可以分析节点各个层面的通信过程。基于该平台，用户可以很好的扩 展自己所需要的分析工具。在论文中介绍了两个网络分析软件：一是逻辑分析 软件，可作为节点调试工具；另一个是节点通信动画模拟软件，可形象的表示 节点间的通信过程。 基于该测试平台捕获的数据，本文做了无线传感器网络节点逻辑波形分析， 时间同步分析，数据包分组解析分析和无线传感器网络性能分析。实验测试表 明标明，该测试平台系统可以很好的获取节点的状态，通过综合各个节点的信 息，可以为分析无线传感器网络性能带来方便。 关键词：无线传感器网络，无线传感器网络测试仪，无线传感器网络测试平台 t h et e s t r e s e a r c ha n d a b s t r a c t t o o lo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki sg r e a ts i g n i f i c a n tf o rt h e f a r t h e r a p p l i c a t i o n so ft h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k at e s t i n gm e t h o db a s e d o nt h eh a r d w a r ei sp r o p o s e d ，a n dt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no faw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r kt e s tp l a t f o r mb a s e do nt h i sm e t h o di si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h et e s t p l a t f o r mi sm a d eu po fh a r d w a r et e s t e ra n ds o f t w a r eo fs e r v e r t h et e s t e ri si nc h a r g e o ft h ec o l l e c t i o no fd i g i t a ls i g n a l sb e t w e e nt h ec p uo ft h en o d eo ft h ew i r e l e s ss e n s o r n e t w o r ka n dt h er fc h i p ，a n dt r a n s m i tt h ec o l l e c t e ds i g n a l st os e r v e r t h es o f t w a r eo f s e r v e rg e t st h ec o m m u n i c a t i o ni n f o r m a t i o no ft h ew h o l en e t w o r kb ya n a l y z i n gt h e r e c e i v e ds i g n a l s t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g nh a v eb e e nd e s c r i b e d i nt h i sp a p e r t h i st e s t e ru s e st h ef p g ah i g hs p e e dc o l l e c tt h es i g n a lo ft h en o d ei n n e r c o m m u n i c a t i o nw i t h o u ti n t r u s i v et ow o r ko ft h en o d e ，a n dt h e ns e n dt h es i g n a lt ot h e c e n t e rs e r v i c e r w i t hp r o c e s st h e s es i g n a l ，t h ec e n t e rs e r v i c e rc a nr e c o v e rt h es t a t u so f t h en o d ea n dg e tt h ew h o l ec o m m u n i c a t i o ni n f o r m a t i o no ft h ew i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k ，a n dt h er u n n i n ga n dt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o no ft h en o d ec a nb e i n e f f e c t u a l t e s tb o a r dm a i n l yc o n s i s t so f t w op a r t s o n ei sf o rd a t ap r o c e s s i n ga n d t r a n s f e r r i n gi n c l u d i n gc p ua n de t h e m e tc o n t r o l l e r , t h eo t h e rf o rd a t aa c q u i s i t i o na n d r e m o t ec o n t r o l ，i e o t h e r w i s e ，t h es o f t w a r eo ft h es e r v e ri nt h et e s ts y s t e mh a sb e e ni l l u s t r a t e d s e r v e rs o f t w a r e ，i n c l u d i n gd a t ac a p t u r es o f t w a r ea n dar a n g eo f d a t aa n a l y s i ss o f t w a r e d a t ac a p t u r es o f t w a r es t o r e dt h ed a t aw h i c hi su n l o a d e db yt e s t e r , i no r d e rt op r o v i d e d a t af o u n d a t i o nt oo t h e ra n a l y s i ss o f t w a r e t h ed a t ac a p t u r e db yt h et e s tb e n c hi s b a s e do nt h ep h y s i c a lh a r d w a r e ，s ot h i sn o d ec a nb ea n a l y z e do nt h eb a s i so ft h e c o m m u n i c a t i o np r o c e s sa ta l ll e v e l s b a s e do nt h ep l a t f o r m ，u s e r sc a ne x p a n dt h e i r g o o dn e e d sa n a l y s i st o o l s i nt h ep a p e rd e s c r i b e st w on e t w o r ka n a l y s i ss o f t w a r e ：f i r s t ， t h el o g i c a la n a l y s i ss o f t w a r ec a nb eu s e da st h en o d ed e b u g g i n gt o o l ；t h eo t h e ri st h e i i n o d ec o m m u n i c a t i o na n i m a t i o ns i m u l a t i o ns o f t w a r e ，s a i dt h ei m a g eo ft h e c o m m u n i c a t i o np r o c e s sb e t w e e nn o d e s b a s e do nt h ed a t ac a p t u r e db yt h et e s tp l a t f o r m ，t h i sp a p e rh a sd o n ea n a l y s i so f w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kn o d el o g i cw a v e f o r m ，t i m es y n c h r o n i z a t i o n ，p a c k e t - p a r s i n g a n dw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kp e r f o r m a n c e t h ee x p e r i m e n tp r o v e dt h a tt h i st e s tb e n c h c a nb ev e r yg o o da tc o l l e c t i o no ft h en o d e sc o m m u n i c a t i o nd a t a ，t h r o u g ha n i n t e g r a t e di n f o r m a t i o no fe a c hn o d e s ，y o uc a na n a l y z et h ep e r f o r m a n c eo fw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r kc o n v e n i e n t l y k e yw o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kt e s t e r , w i r e l e s s s e n s o rn e t w o r kt e s tb e n c h i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：扯日期：犁 学位论文使用授权书 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 c ：栅恸c 签名嗍叩膨门 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，以下简称传感器网络) 是由部 署在监测区域内的大量微型低功耗节点组成的无线多跳网络，其作用是协同地 采集和处理感知对象的信息并传输给用户。传感器网络在军事国防、工业控制、 智能交通、环境监测、抢险救灾等许多领域都具有广阔的应用前景，被认为是 将对2 1 世纪产生重大影响的技术之一，也是我国国家中长期科学和技术发展 规划纲要重点领域信息产业的七个主题之一。 传感器网络测试评估是度量网络性能指标、评估网络满足应用需求能力的 技术内容，对于传感器网络的研究和实用化均具有极为重要的意义：一方面， 测量评估技术有助于分析网络行为、定位网络故障或瓶颈、优化网络运行，是 网络运维决策的直接依据；另一方面，测量评估技术有助于评价网络性能、理 解网络运行规律、规划网络部署，对相关技术的发展具有指导意义。传感器网 络测量评估技术并不仅适用于网络运行阶段，而是贯穿在传感器网络的规划、 设计、部署、运行、维护等整个生命周期，是传感器网络领域的重要技术内容。 目前国际国内在传感器网络领域已经开展了广泛的研究工作并取得了丰富 的研究成果。以国家自然科学基金对传感器网络领域的历年资助情况为例，近 年来资助数量持续增加，表明传感器网络日益成为热点研究领域；在研究的具 体方向上，现有研究主要集中在通信协议、信息安全、数据融合等方面。尽管 这些研究也在一定程度上涉及到传感器网络测量评估技术，但总体而言，在传 感器网络性能测量评估方向的研究明显不足。 传感器网络是涵盖了数据感知、处理和传输的任务型网络，具有大规模密集 部署、资源受限和动态性强等显著特点。与面向互联网( i n t e r n e t ) 的传统网络测量技 术相比，传感器网络的测量评估技术具有自身的特殊性和较大的技术挑战。本文 就国内外有关互联网和传感器网络的性能测量评估技术的研究工作进行了考察。 1 1 项目介绍 国家为在无线传感器网络领域发展赶上国际水平，特设立无线传感网络的 基础理论及关键技术研究，项目编号：2 0 0 6 c b 3 0 3 0 0 0 。该项目由上海交通大学 牵头，参与单位有浙江大学，中国科学技术大学，中国科学院软件研究所。设 武汉理工大学硕士学位论文 立该项目的目标：面向面向煤矿监测、水环境检测、上海世博会安全监控等重 大应用需求，建立一套无线传感器网络理论，开发无线传感器网络应用的关键 技术，并在研究基础上形成产业链，为我国5 1 0 年内在无线传感器网络领域的 发展打下基础和提供核心技术支持。 该项目分为七个子课题，其中中国科学院软件研究所由孙利民研究员带领 的团队负责研发子课题无线传感网络测试平台与监控工具( 课题编号： 2 0 0 6 c b 3 0 3 0 0 7 ) ，该课题的研究目标是研究无线传感网络测试平台和工具，提出 一整套面向无线传感网络的仿真、测试、监控的理论，形成无线传感网络的测 试和监控的理论框架，并应用到实际的网络性能测试和网络管理中。实现一个 可以远程监控的无线传感网络测试平台系统，开发一套具有我国自主知识产权 的无线传感网络的调试、测试、监控和仿真工具。 本人有幸加入该团队并参与研发测试平台和工具的实现技术。本文中的无 线传感器网络测试平台即是该项目的一部分，本论文主要就我在该项目中做的 工作及无线传感器网络测量技术论述。 1 2 互联网的性能测试评估技术 互联网测试是国际上的普遍关注的热点领域之一，并已经取得丰富的研究 成果，诸如互联网流量的“自相似性”和拓扑的“幂率( p o w e r - l a w ) 分布规律 都是源自于网络测量。互联网的分布化、不协作、异质的特点以及流量特征的 复杂性，使其测量极具挑战性。互联网测量有多种分类，根据测量数据的来源 可分为端到端测量、基于路由器的测量、和路由器协作测量，根据是否存在探 针分组( a c t i v ep r o b e ) 可以分为主动测量和被动测量等。互联网测量的指标体 系复杂多样，诸如端到端延时、丢包率、带宽、网络拓扑等。 延时是互联网重要的性能指标。由于互联网双向链路和业务流量的不对称 性，端到端的单向延时测量更具有挑战性，也是目前研究的热点领域。网络时 间同步协议( n e t w o r kt i m ep r o t o c o l ，n t p ) 只能达到数十毫秒的精度，难以满 足延时测量的精度需求。现有的研究主要集中在降低主机间时钟相差，频率差 异和时钟重置的影响，文献 1 】和 2 】分别提出采用p i e c e w i s em i n i m u m 或现象规 划算法得到分段条件下的时钟频率偏差，但均不适合时钟重置情况。文献 3 】采取 了凸分析理论，给出了适应时钟重置问题的在线测量方法。文献 4 则通过建立 多条环路延时的方程组，联立求解或估计逐段的单向延时。 带宽的测量方法主要分为两类，即变长包序列方法和分组对( 或分组列) 2 武汉理工大学硕士学位论文 方法。变长包序列( v a r i a b l ep a e k e ts i z e ，v p s ) 方法最初在文献 5 】中提出，通过 测量不同长度的数据分组的延时特性确定链路带宽。分组对( p a c k e tp a i r ) 方法 【6 】的基本思想是利用发送两个背靠背( b a c k t o b a c k ) 的分组，在接收端测量分 组对的间隙以确定带宽，但容易受到背景业务的影响。文献【7 】利用核密度估计 ( k e n e r ld e n s i t ye s t i m a t i o n ) 方法有效降低了背景业务的影响。 分组丢失率测量的难点在于选择和构造网络丢包率的数学模型，目前常见 的丢包率模型有贝努利模型、马尔可夫模型等。贝努利模型假设每个数据分组 的丢失概率是不相关的，与网络实际状况有较大差异，而马尔可夫模型则给出 了较好的改进，文献 8 】提出了基于最大熵马尔可夫模型的分组丢失率在线估计 方法。此外，文献 9 】提出了基于延时和丢失相关性的分组丢失率测量方法。 网络拓扑测量主要有两类方法，一是根据路由器的数据( 如路由表) 1 0 1 生成网 络拓扑；二是采取网络断层扫描( n e t w o r kt o m o g r a p h y ) 技术【l l 】【l2 j 推测网络拓 扑和内部性能。网络断层扫描方法仅依赖于端到端对特定网络性能指标的观察， 其基本假设是两个节点共享的路径越长，则两者的性能指标间的相关性将越大， 并基于节点在延时、分组丢失率等指标间的相关性来反推网络的逻辑拓扑和内 部性能参数。 总体而言，互联网的网络测量拥有丰富而深刻的研究成果，对于传感器网 络的测量评估研究具有一定的借鉴意义。然而，互联网与传感器网络在多个方 面具有明显的差异( 如表1 1 所示) ，因而现有的互联网的网络测量研究成果通 常并不直接适用于传感器网络，需要进一步开展针对性的研究。 表1 - 1 互联网和传感器网络测量评估技术的比较 互联网 传感器网络 在通信类指标之外，还包括感知类指标、覆盖 待测指标网络通信类指标为主 类指标，能量和生存时间指标等 主要是具体业务传输路径 除了具体的网络元素，需要重点考察整体网络 测评范围 上的网络元素，也包括网 为用户提供的业务水平 络整体评价 单播、多播和广播等； 以汇聚节点为中心的业务流量为主；在转发过 业务特性程中存在数据处理和数据融合，数据可以不具 数据在传输中不改变 备传输透明性 数据来源 端系统，路由器通常仅能从汇聚节点获得数据 约束条件无明确资源约束在能量、运算、存储和带宽资源上有明确约束 多跳无线链路，高故障率的节点会引起拓扑频 动态性拓扑可变，但相对稳定 繁变化 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 传感器网络的性能测量评估技术 相比传统的互联网测量技术，传感器网络的测量评估具备明显的特殊性。 互联网的网络协议相对而言是比较开放和通用的，作为应用相关的网络系统， 传感器网络以整体形式为用户提供服务，因而其测评范围不仅包括针对特定节 点、链路的网络通信类指标，尤其注重整体意义上网络满足业务需求的能力， 所以传感器网络协议繁杂多样，网络测试评估也相对更加困难。以延时指标为 例，不仅需要测量某个特定节点到汇聚节点的延时，还需要了解作为一个整体 系统，感知信息到达汇聚节点的平均延时( 或最大延时) 。因此，传感器网络的 测量评估技术可以分为两类，即从微观角度对具体或局部的指标进行测量和从 宏观角度对整体性能进行评估。此外，由于传感器网络资源受限的特点，其测 量评估的实施也存在较大的技术挑战性。下文就这几方面的研究工作分别加以 叙述。 1 3 1 微观层面的传感器网络测量技术 微观层面的传感器网络测量技术是指对单个节点、链路或局部区域实施的 性能测量，典型的待测指标包括节点的剩余能量、链路质量、路径延时和分组 丢失率等。 传感器网络节点能量的消耗测量是一个困难的问题，主要原因是节点通常 采用电池供电，而电池的放电曲线非常复杂，并且受到环境温度等因素的影响， 故基于电池电压估计节点能量是不准确的。文献 1 3 1 4 1 提出预先测量节点在不 同工作状态下的功耗，然后在节点实际工作过程中统计自身处于各个状态的时 间，从而得出节点总共消耗的能量。文献 1 5 】提出根据节点的状态迁移采取p e t r i 网建模，评估节点的能量消耗。总体而言，现有的方法可以在一定程度上估计 节点能量消耗，但在状态快速频繁切换的场合仍然存在较大的误差。 针对传感器网络链路和传输路径的通信类指标，国际国内也开展了一定的 研究工作。除了基于时间同步方法的延时测量方法【1 6 】【l 7 】外，文献【1 8 】在节点随机 故障条件下，采取图论的方法考察了节点到汇聚节点的期望单向延时和最大单 向延时，文献 1 9 贝j j 进一步考虑了数据融合条件下的传感器网络延时。文献 2 0 】 和 2 1 通过实际的无线通信实验数据分析建模，研究传感器网络链路的分组丢失 率指标，并分析了该指标与通信距离和能量等因素的规律。文献【2 2 】提出采取“因 4 武汉理工大学硕士学位论文 子图”( f a c t o rg r a p h ) 和“和积”( s u m p r o d u c t ) 方法，通过观察汇聚节点的数 据接收情况，高效地分析节点间的链路分组丢失率。 1 3 2 宏观层面的传感器网络评估技术 宏观层面的传感器网络评估技术是指对网络整体性能的系统级度量评价， 典型的宏观研究内容包括网络的拓扑构成、生存时间、业务数据的平均延时或 最大延时、业务数据的分组丢失率等。 为测量评估传感器网络的拓扑结构，文献【2 3 】将互联网领域的断层扫描技术 引入到传感器网络中，提出了传感器网络的“倒多播树 模型，基于汇聚节点 收集的数据采用极大似然估计方法，推测网络拓扑和内部链路质量。文献 2 4 】 针对存在数据融合的传感器网络，提出基于最长共同路径的拓扑推测方法。 为了评估网络的整体性能，目前的方法主要是对微观的测量指标在传输过 程中进行融合，以降低测量数据的传输开销。作为传感器网络的重要指标，网 络生存时间与所有节点的能量消耗有关，文献【2 5 】提出的一类全网能量的扫描方 法e s c a n ，将能量相近的节点合并为一个区域，仅向中心传送区域的能量和位置 信息，尽管该方法有效地降低了测量数据的自身传输消耗，但节点能量的测量 仍然是在全网范围内执行的，所以也存在较大的测量开销。文献 2 6 提出了仅选 取部分样本节点参与测量的方案，由于样本节点的数量可以远低于全网的节点 数目，因而基于样本统计的方法可以更为有效地降低资源消耗，是进行网络整 体性能评估的可行方向，但是文献 2 6 考虑网络节点呈规则的格点分布，不适合 随机部署的传感器网络应用场景。对于延时和丢包率等指标，目前主要基于汇 聚节点收集的全网业务数据进行分析，尚缺乏更细致和深入的结果。 1 3 3 传感器网络测量评估技术国外技术成果 目前对无线传感器网络的研究手段主要分为两种，一是理论分析和计算机 仿真实验，二是实际部署的验证实验【2 7 】【2 8 】。通常而言，无线传感器网络应用场 景复杂恶劣，无线通信存在高度动态性且难以预测，而仿真实验通常假设较为 理想的模型条件，因而与实际场景有较大区别，降低了仿真性能分析的可信度 2 9 3 0 1 。 无线传感器网络测试平台是开展实际部署验证的通用平台设施，现有的典 型方案包括c r o s s b o w 公司提出的m o t e w o r k s 3 1 1 、哈佛大学提出的m o t e l a b 【3 2 】， 武汉理工大学硕士学位论文 美国加州大学( u c l a ) 提出的s c a l e t 3 3 】以及美国俄亥俄州立大学提出的 k a n s e i l 3 4 】方案。 c r o s s b o w 公司提出的m o t e w o r k s 方案经由传感器网络自身的无线通信链路 进行测试数据的收集，即正常业务数据和测试数据均通过节点的微处理器 ( m c u ) 发送到节点的射频模块，然后在无线传感器网络链路上传输。基于 m o t e w o r k s 平台，用户能够远程监视传感器网络的运行情况，通过文本或图形方 式显示测试结果。m o t o w o r k s 的测试目标是固定设定的，包括网络的拓扑结构、 节点的剩余能量、链路质量、传输速率等。以m o t e w o r k s 为代表的方案无需额 外的硬件和传输网络，但由于测试数据占用了传感器网络链路带宽和节点处理 器资源，必然对无线传感器网络的自身运行状态有一定的影响。 在哈佛大学开发的m o t e l a b 方案中，网络中的每个传感器节点都被连接在 额外的测试模块上，而测试模块通过额外的传输通道与中心服务器相连。在 m o t e l a b 方案中，正常业务数据通过传感器网络自身链路传输，而测试数据通过 额外的网络传送到中心服务器，因而不占用无线传感器网络通信资源，极大地 降低了测试行为对传感器网络自身状态的影响。然而，m o t e l a b 仍然需要节点运 行特定的测试软件模块，需要占用一定的节点计算资源。 1 4 无线传感器网络测试平台系统概述 在上述现有的方案中，其共同特点是节点主动参与测试，测试行为对网络 有一定的干扰，从而降低测试结果的准确性。为了更为准确的获得传感器网络 运行状态的数据，本文提出一种新的基于硬件平台的被动测试方案，即以旁路 侦听的方式捕获节点上微控制器和射频芯片之间的互连信号，进而解析得到节 点收发的数据包情况，实现对网络结构和节点正常工作无打扰的测试。并在此 思想指导下，详细介绍关于无线传感器网络测试平台系统的软硬件设计说明和 基于该平台得出的测试结果。 整个无线传感器网络测试平台包括测试仪硬件平台和相关的p c 机数据分析 软件。测试仪将获取的数据转化为特定格式，将预处理的数据发送到中心服务 器。测试平台可采取以太网作为传输网络，t c p i p 协议作为数据传输协议，也 可以采用其它的网络和协议进行数据传输，本文将主要介绍以太网t c p i p 的通 信方式。然后通过p c 机数据分析软件分析采集的数据即可得到节点通信的所有 信息。如图1 1 所示，无线传感器网络节点1 ，节点2 ，节点n 构成一个 6 武汉理工大学硕士学位论文 无线传感器网络。p c 机作为中心服务器，每个测试仪收集一个节点的信息并通 过网络传送给p c 机。其核心的思想是通过有线网络这个成熟的工具来测量无线 传感器网络。 图1 1 无线传感器网络测试系统结构 1 5 论文结构安排 本文提出一种基于硬件监听方式的被动无线传感器网络性能测试方法，并 介绍该平台系统的软硬件设计和基于该平台的无线传感器网络测试结果分析。 全文共分为五个章节： 本章介绍项目背景，互联网测试技术和无线传感器网络测试技术的发展现 状，提出基于硬件监听方式的被动无线传感器网络性能测试方法和测试平台系 统结构。 第二章：介绍该测试平台中的关键部分硬件平台的设计，包括板上通 信协议设计，硬件设计，f p g a 程序设计和嵌入式软件设计。 第三章：介绍测试平台系统的服务器软件设计，服务器软件包括数据捕获 软件，数据分析软件等。 第四章：基于该测试平台的测试平台的组网测试结果分析，给出了逻辑波 形分析，时间同步分析，数据分组分析，网络性能分析等分析结果和结论。 第五章：对本文的工作总结和展望。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章测试仪设计 测试仪是无线传感器网络测试平台的硬件核心部分。测试仪在对节点自身 工作无打扰的前提下，利用硬件采集信号的方法，收集节点内部数字通信信息， 并将采集到的信号和数据进行传感器网络性能分析。如图2 1 所示，通过采集节 点板上c p u 与射频芯片之间的数据通信信息，从而实现了无打扰，数据真实全 面的特性。同时该方法无需占用传感器网络的无线数据通信链路，也不占用节 点c p u 的资源。 燃j ! c p u 和r f 芯片 的通信信息 无线传感器网络测试仪 通过以太 网向中心 服务器传 送数据 中心服务器 图2 1 基于硬件平台的无线传感器网络测试方式 测试仪包含以下几个功能模块： ( 1 ) 数据采集模块，负责采集来自节点板的数据通信信息；包括g p i o 数 据采集，a d 采样电路，s p i ，i 2 c 等常用芯片间通信协议的解析电路等。 ( 2 ) 数据处理模块，数据处理模块的功能是将数据打包成固定格式的数据 帧并存放到存储模块中。 ( 3 ) 数据存储模块，该系统中使用的存储模块是先进先出队列( f i f o ) ， 数据按照采集的时间先后顺序存放。 ( 4 ) 数据传输模块，负责从f i f o 区域取出数据并通过以太网或者其他方 8 武汉理工大学硕士学位论文 式发送到p c 机，包括串口，u s b ，以太网等可以跟p c 机通信的设备。 ( 5 ) 供电模块。 ( 6 ) 显示输出电路，用于实时显示一些相关信息。 测试仪采用硬件和软件相结合的设计方式。利用硬件来实现数据采集处理 和存储，利用软件来实现数据传输和系统控制。一般节点的数据通信速度在几 十k b s ，短时间内记录节点所有的数据信息并打包处理，一般的处理器难以胜 任。所以本文的测试仪选用f p g a ( 现场可编程逻辑门阵列) 来完成数据的采集和 处理，选用a r m 处理器来实现嵌入式t c p i p 协议。充分结合了f p g a 并行处 理的优点和a r m 程序控制的灵活性。 2 1 测试仪板上通信协议设计 在测试仪中主要功能部件是是f p g a 和a r m 7 。为顺利完成对无线传感器 网络节点信号的采集，先制定以下关于测试仪板上f p g a 和a r m 的通信协议。 硬件连接如图2 2 所示。f p g a 和a r m 通信采用s p i 的模式，其中，f p g a 中 是s p i 从机，a r m 是s p i 主机。f p g a 负责采集节点数据并相应a r m 发送来 的指令，f p g a 还负责将采集到数据按照特定的格式存放在f i f o 中，该f i f o 也是由f p g a 来控制的。结构如下图所示，为c p u 和f p g a 硬件模块通信的 顺利进行，特制定以下的通信协议，并在此基础上设计f p g a 的程序和c p u 的程序。 卜 f i f 0 输f p g as 一s c k 入控制 门 计时 pm o si s p 以 时钟 ic s i 太 卜 数 从 i i s 0 主 网一_ j 吣 据 卜 姜广、 模一 y 蕊li 米 y 。 集 f i f 0 卜 f i f 0 - w r f u l l 块 输出 - 一r d e m p t y 控制 - 一u s e d w t h - f i f 0c l r 一 f p g a c p u ( a r m ) 图2 。2f p g a 与c p u 连接信号及结构图 9 武汉理工大学硕士学位论文 f p g a 与c p u 硬件连接： s c k s p i 时钟信号，从c p u 到f p g a ； m o s 卜s p i 串行数据，从c p u 到f p g a ； c s s p i 片选，从c p u 到f p g a ； m i s o s p i 串行数据，从f p g a 到c p u ； w r f u l i f p g a 里f i f o 数据已满( 高电平有效) ； r d e m p t y - _ f p g a 里f i f o 数据已读空( 高电平有效) ； u s e d w n 卜_ 显示f i f o 中数据的个数，当f i f o 中的数据大于设定值时 为高，否则为低； f i f oc l r _ 清空f i f o 管脚，连接在a r m ( c p u ) 的p a 2 6 脚，当改管脚 为高电平时清空f i f o 中的内容。 s p i 采用o o 方式( s c k 空闲时为低，上升沿采样数据) m o s i 线在上升沿 打出数据，m i s o 在时钟下降沿打出下一个b i t 数据。 f p g a 的s p i 模块回应c p u 的数据为3 2 b i t s ，每次发送8 b i t s ，高位在前，低 位在后，s p i 数据高位在前方式，从3 1 到0 b i t 依次发出。 表2 - 1 数据帧格式( 3 2 b i t ) 事件( 31 - 3 0 ) 2 b i t s 时间( 2 9 1 6 ) 1 4 b i t s有效数据( 1 5 。o ) 1 6 b i t s 协议数据( 0 0 ) 时间低1 4 b i t协议数据 i o ( 0 1 ) 时间低1 4 b i t保留i o ( 8 b i t s ) a d ( 1 0 ) 时间低1 4 b i ta d 数据1 6 b i t s t m e r ( 11 ) 3 0 b i t s 时间高位 图2 3 是f p g a 中打包数据的流程图。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 硬件设计 图2 3 事件处理流程 本设计选用a l t a r ec y c l o n ei i 系列中的e p 2 c 8 。该款芯片是在第一代c y c l o n e 系列的基础上，基于9 0 n m 、1 2 vs r a m 工艺设计。它包含8 2 5 6 个逻辑单元， 3 6 个m 4 kr a m 块共1 6 5 8 8 8 b i t s ，1 8 个嵌入式乘法器，两个锁相环，1 8 2 个用 户1 0 3 4 j 等资源。 a r m 处理器选用的是a t m e l 的a t 9 l s a m 7 x 2 5 6 ，该款芯片的特点是：集成 r i s c 架构的a r m 7 t d m ia r mt h u m b 内核，最高工作频率5 5 m h z ；片内集成 2 5 6 k bf l a s h 和6 4 k bs r a m ，集成以太网m a c 控制器，完全满足一般嵌入式 操作系统和嵌入式t c p i p 协议的需求；集成了3 个u s a r t 串口，s p i 控制器， u s b 控制器等【”j 。 f p g a 和a r m 的通信采用s p i 加i o 的方式，a t 9 1 s a m 7 x 2 5 6 芯片上集成 的s p i 控制器的最大通信波特率可达到a r m 芯片系统时钟的速度，对于我们系 统的应用是完全可以满足要求的。利用a t 9 1 s a m 7 x 2 5 6 芯片上集成的以太网 武汉理工大学硕士学位论文 m a c 控制器外加一款1 0 1 0 0 m 自适应的以太网物理层控制芯片d m 9 1 6 1 就构成 了一个以太网通信系统。 供电模块支持外接直流5 v 、u s b 、p o e 等供电方式，可以通过开关灵活选 择。p o e 供电是本系统的一大特点。p o e 全称为p o w e ro v e re t h e m e t ，是指通过 1 0 b a s e t 、1 0 0 b a s e t x 、1 0 0 0 b a s e t 以太网网络供电，其可靠供电的距离最 长为1 0 0 米。通过这种方式，可以有效的解决一些网络终端设备的供电问题 【3 6 1 【3 7 】。 采用一片6 4 m b i t s 的s d r a m 芯片h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 e 缓存数据，在程序中利 用f p g a 控制s d r a m 构成一个f i f o ( 先进先出队列) 的形式。i o m h z 并行 a d 采样电路采用t i 公司的t l v 5 5 1 0 ，用于收集节点功耗等模拟信息。四个八 段数码管，蜂鸣器，l e d 等声光显示电路用于提示用户系统运行的情况。 利用f p g a 内部布线的灵活性，来自节点板的采样信号线，串口，a d ，l e d 显示等外设都是和f p g a 相连的，然再通过f p g a 连接在a r m 上。这种连接方 式使得a r m 和f p g a 都可以方便的控制这些外设或者采集信号，并且可以简化 p c b 布线。系统的硬件连接结构如图2 4 所示： 2 3f p g a 程序设计 图2 - 4 硬件结构图 在测试仪中，f p g a 的作用是采集处理数据，存储数据到f i f o 中，以及响 应a r m 发送的指令，读取f i f o 中的数据送给a r m 或者是读取计时时间送给 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 a r m 。 f p g a 程序设计采用v e r i l o gh d l 。f p g a 程序包括数据采集模块，时钟模 块，f i f o 模块，数据处理存储模块，和a r m 通信及f i f o 读模块。图2 5 是 f p g a 程序的模块结构图。 图2 - 5f p g a 程序模块结构图 f p g a 程序提供对一些常用的芯片间通信协议解析的支持，如s p i 等。解析 这些常用的通信协议可以减少存储的数据量。 以下是s p i 通信数据采集的v e r i l o g 代码。 m o d u l es p i _ d a t c o l l e c t i o n ( s c k ，m i s o ，m o s i ，c s ，r i ，d a t o u t ) ； i n p u ts c k ；s p i 通信时钟 i n p u tm i s o ；s p i 通信的主入从出线 i n p u tm o s i ；s p i 通信的从入主出线 i n p u t c s ；s p i 通信片选信号 o u t p u tr i ；收到一个字节后标志信号 o u t p u t 15 ：0 】d a t o u t ；数据输出寄存器 r e g 7 ：0 】 r m i s o ，r m o s i ；接收寄存器 r e g 2 ：0 】 b i t c n t ；计数收到的比特数 a l w a y s ( p o s e d g es c k o rp o s e d g ec s ) b e g i n i f ( c s ) b i t c n t - 3 b 0 ； e l s eb e g i n 在每个s c k 上升沿同时采集m o s i ，m i s o 信号 r m o s i = r m o s i 6 ：0 ，m o s i ； r m i s o _ r m i s o 6 ：0 ，m i s o ； b i t c n t 导入时，弹出文件打开对话框，选择一个t r a c e 文件打 开，如果打开的文件不是可播放文件，弹出提示框； c 打开文件后，将从文件分析得来的背景和节点信息显示在f l o a t c a n v a s 上， 此时，播放按钮处于可用状态； d 节点有一个任务列表，任务列表中包含时间信息，和任务，节点可以根 据当前时刻来自动完成某项任务； e 在状态栏显示时间尺度、当前时间、导入文件的文件名、播放状态等信 息； 本程序是用p y t h o n 语言编写的。其中用到了w x p # o n 库。 3 3 1 界面设计 主界面的设计主要分为两个步骤，其一就是画出界面，并且在界面相应位 置上放置相应的控件。第二就是要对控件绑定相应的事件，然后编写事件处理 函数，完成相应的功能。根据需求，绑定如下主要事件： d e f m e n u l o l ( s e l f , e v e n t ) 这个事件处理函数是当点击菜单栏中的“导入”时， 弹出打开文件对话框，选择文件，将所选文件的路径传给数据分析模块 ( c c 2 4 2 0 f s m p y ) ，该模块将分析的结果通过一个字典返回，然后根据结果建 武汉理t 大学硕士学位论文 立节点对象。 d e fo n s c r o l l ( s e l f , e v e n o ，这个事件处理函数是当滑动滚动条的时候，所做的 处理，这里主要是将当前的时间传给节点，节点可以根据时间决定该完成哪个 任务。 c l e f o n t l ( s e l f , e v e n t ) ，这个事件是一个定时器事件，其功能是定时完成些 功能。在用户点击“播放”后，这个事件被触发，此事件将会定时调用节点 s e t s c h e d u l e 方法，将当前时间传给节点，节点可以根据时间决定该完成哪个任 务。同时，也会定时设定滑块的当前值。 “打开”的对话框，用于当用户点击“导入”时后弹出，让用户方便的选 中需要导入的文件。这个对话框的创建方法是使用w x p y t h o n 库中的f i l e d i a l 0 9 0 其中需要注意的是只有将参数中的由l e 的